I I I I I I I I

I
nikiem r,algntania lub wspÓIczynnikient refrakcji n,, (ośrodkadrugiego
y,iglę dem pierwszego).
li
Refraktometria
I
' - zt
h
gdzte:
u 0
sino
- -
sinB
(z.r)
kat padania,
kqt zał'amania.
'
Kieru.jącsię obowiązującąw optycę geometrycznejzasadą odwracalrlościbiegu promieni (eżeli promieri biegnący w ośrodku2 pada na
granicętlśrodkÓwpod kątem p, to promienzatamanyw ośrodku1 będzie
biegł porl kqtem cr) mozna zapisać de|rnicję wspÓłczynnika zalamania
ośrodkapierwszegowzględemdrugiego następujqco:
;
I
I
I
I
I
Światło padającena powierzchnię oddzielającąod siebie dwa ośrodki
przęzroczyste częściowoulega na granicy tych ośrodkow odbiciu,
a częściowoprzechodzi do drugiego ośrodka,zmieniaj4cna powierzchni
granicznej kierunek Swego biegu. Jeżeli światłorozchodzi się w tych
ośrodkachz rożnąprędkością,wtedy następujezjawisko jego xalamania
(refrakcjĄ, będącegowynikiem zmlany długościfali świetlnej(ryc. 2.1).
stn([ _sln p
v^l
II
I
I
I
I
!'rlzte:
|1tz
.r'spÓłczynnik załamaniaośrodka
e.f)
pierwszego względem drugiego.
'ZaIenlośćmiędzy n,l a nl'jest następuj4ca:
n12'tI21 :
I
(2.3)
wspÓłczynnikzałamanian,, wyraŻa
Zgodnic z fa|owąteorią światła
w obu ośrodkach:
strlsunekprędkościświatła
ll)r
-
-
u1
(2.4)
i
i
I
I
I
*:ł|zie..
światła
w ośrodku1,
l.r - |.l.9cikość
w ośrodku2.
I)z .' p.ędkośćświatła
I
I
sinp
n,,:fri
Podstawy teoretyczne
Ryc. 2,l. Kąt padania, odbicia i załamania.
Zjawiska odbicia i załamaniaświatła
zostałyujęteilościowow 1626 r.
przez Snelliusa w postaci następującychpraw optyki geometrycznej:
r:,r:ir'
l;l.. Promieri padający, odbity, zał'amanyoraz prosta prostopadłado
pł'aszczyzny
rozgraniczaj4cejobydwa ośrodkiw punkcie padania promienia lezą w jednej płaszczyźnie.
.
: : !
Kąt padania rowna się kątowi odbicia.
jest dla
Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamarria
danych dwÓch ośrodkowwielkościąstałą,zwaną h,zglęrlnymwspÓłczyn.
30
I
Załananie światłajest przyczyną tego, ze przedmtoty znajdujące się
rv ośrodku o większym wspÓłczynniku załamania, np. w szkle lub
lv wodzie. obserwowanezpowietrza wydają się bliższenizw rzeczywisto(ci, nP. rreka z czystą wodą wydaje się płytszanizzwodą mętną.
Jeżelikąt padania o jest większy od kąta załamaniaB' to ośrodek1jest
optycznicrz.adszyniż ośrodek2 i odwrotnie,gdy kąt a jest mniejszyod
kąta 0, tcl ośrodek1jest optycznie gęstszy od ośrodka2. ośrodek
lptJ:czni( gęstsz! to ośrodek o większyrn wspołczynniku załamania
(rnniejszc.jprędkościświatła),
a ośrodekoptycxnie rxadsxy to ośrodek
rozchodzenia
o lnlriejszi.In
wspołczynnikuzałamania(większejprędkości
się światl;r).
Jezeli l'l4t padania u zwiększy się do 90., wÓwczas k4t załamania
llrownicz sięzwiększyi w tym przypadku osiągniemaksymalnąwartość,
-ll
Ryc. 2.2. K4t graniczn1''
Zwanąkątemgranicp1y7n(!*: f
,,.,,'\.WtedywzÓr na wspolc,5'trniklr , ,
przyjmiepostać:
zL
/l-.
stąd
sin 90'
-
= .-
sin pr,"n.
I
'r
cinR
jestbardziej
anizotropowych
w ośrodkach
Ziawisko załamaniaświatła
kierunkach)
rożnych
roznew
,łłło,,"(załamanie
"'"fr
wspÓIczynniki
podawanęSątzw.bezwzględne
]lt.iuturzenajczęściej
proznl'.
ględem
wz
ow
o
d
k
o
ś
r
ynnil.i
załama'nia
, oło,^o-ii o, czyli wśpoi.'
się
rozchodzi
światło
ponieważ
l'
od
większą
wartość
one Zawsze
Maia
.Jlozi'i
ośrodku.
jakimkolwiek
innym
w
niz
więkizą
prędkością
z
*
stosujesię zwykle przy pomiarach
il,jz"iE :uto ośrooet<.odniesienia
i ciek.
stałych
dla substancji
gazow,natomiast
ia
załaman
*'nol.'v""ika
i'.,t'-*'i'orczynniki załamaniaob|tczasię w stosunku.do .powietrza.
w powietrzuniewielęrożnisięod prędkości
i"ni"*Jzp,i.ttoś. światła
ś;*.ł"w piożni,dlategobłqdpomiaruw p1zyp1dkuobliczęrirvstosunku
prożnijest rriewielkii wynosiok. 0,03%.
ao
" " po*i.i''a zamiastdo
wspÓł.
śZmiędżywzględnymi i bezw,zg|ę.dnymi
rlt ni.j. prosta za|ezno
a
miano.
ośrodkÓw,
ze
sobą
sąsiadujących
czynnikamizałamaniadwÓch
.('c
światła
& frz: Ł, P,,V czym C oznaczaprędkość
t,
odpowiednich
w prÓzni' n, i n, -,bezw zględnewspÓłczynnikizał'amania
to:
ośrodkow,
wicieskoro ,, :
n' 'Ł
( 2r l
nf
"-^. Hgran
Pomiar kąta granicznegoBn,"numożliwiaobliczeniewartrisciw s p o l
czynnika załamanlaświatła
w-danYm ośrodku.
praktyce nie wyznacza się wspÓłczynnika załamaniaślt,rlrtła
z l-lt,.
.W
miaru kąta padania i kąta zał.amania
na granicy powietrze strbstanc.jil
badana,ale bada się układsubstancjabadana-pryzmatszklan1.l clokłlriI
nie znanym n. Badana substancja(cieczlub ciaio stałe)jest t lśr.oc|kietu
optycznie rzadszym (o wspołczynniku zatamania łt,), zi r,stodkictil
optycznie gęstszymjest pryzmat szklany o wsp<iłczynniktr
. lrlalrraIliit
światłanz>.'ł|t Znając wartośćliczbową kąta graniczll\:go
0,....,
i wspÓłczynnikazałamaniaświatła
pryzmatr"r
rt, mozizt oblic,1i *'pi,i.
czynnik zał'amaniabadanei substancii z rownaiia:
fir : ilz.sin Br.,,n
(2.01
Tak więc, aby określicwartośćwspÓłczynnika załanatlill świittłłr
jakiegośośrodkałr, wystarczy znać wartośćwspÓtczynnika zirlamania
inł:gg ośrodka nf oraz kąta graniczne}o w <lrugim ośrtltlkup*,..',,,
zakładającżewspołczynnikzałamaniaw ośrodkudrilgim jest u,ipkszytiil
wspÓłczynnika załamaniaośrodkaDierwszeso.
Powyższerozwaiania c|olycz4ośrodkow.izot
ropowych.czl li tirkicll.
ktore we wszystkichkierunkachwykazująjednakowewłaściwtiści
fizycz'(np. gazy, ciecze nie wykazujące zmiany wspÓłczynnika zlrlantatrilt
le
światła
w czasieruchu w stosunkudo stanuśpocźynku'
kryszttrl1.ukłacjrr
regularnego).
:
DL
k1z
(2.7)
n, -!t :
nr ur
fr2l
WartośćwspÓłczynn1kazał'amaniaświatładla danych dwoch ośrodkow za|ezymiędzy innymi od długościfali.PrzYczym rośnieona w miarę
k'Ót.zych długościfali użytego światła.W celu
stosowania
"o'uź
pomiarÓw laboratoryjnych-używasię światła
zwiększeniadokładności
fali linii D sodu }' : 589,3nm, oznaczadługości
o
monochrom atycznęgo
j4cwspołczynnik'ałamaniaiymbolemno.IJzycieświatłabiałegospowojego
ou.,.,ł. pomiar będzie niezbyt dokładny, ponieważ poszczegÓlne
skiadowe załaml4ąsię pod rożnymi kątami'
Na wartośćwśp łczynnika załamaniawpływa rÓwniez t^emperatura.
Dla ciekłych zwiąźkoworganicznychwzrost temperaturyo 1"C wywołuje
przi' świetle
Tabela 2.I, WartościwspÓłczynnikÓw zalamania światłaniektÓrych substancji
normalnym
podciśnieniem
(}': 589,3;mlźmie.r,zury;;-.c;T:il',:!i:..ć'^
sodowym
Substancja
,"2D
tr t)
Substancja
.-20
llD
Woda
8
l,33298
Chlorek sodu
|,544258
Etanol
1,3617
Jodek metylenu
1,742
Szkłokwarcowe
1.4584
Diament
2,4173
3 Chćmia lnalityczna t' 2
JJ
ll
-|
lt
l
Ę
wspó]czynDika
'
o wartośc
.zAłamani^
jes|wielkością
7au!Ąa.z'ć.
światła
żewspólczynnik
załamania
Na|eży
itńc.""
*"iist'l,.pbffiill."T*':,,ffł'i.:i#'"!il1Tił*^
ff;l#i1llji,-;,i.j5ii"ilxlJ-ji"",:*:*iJ1T;"T'"
Za|ezność
wspótizvnnika zalamaniaświa
tli od btulosci raliz,ia il"a'jesl
c.ch l,] l.R. adla ciałstalych l,J-2.5'
łi.]fiu''"a?.*.:".waltości
dy.spetsją^(lo.zszizepiini.m\
świath'iprowad/ia" .,i^i"pi""i". i"ij.ł.
sięwspó|cz}
nni.łi
xe.'#'?.:#'ji;":'j1iT".l:, Y:.'ę*i"i .*'znaca
j::J'Hi:*il'!ff".;
ni.,i"niu
aopo*iltłu.;i;.;:::l":1.'ił."d.'?:l
ca .ca
Ilu
He
Na -
.
l
l
Ę
symbollinii H,
symbol linii G,
symbollinii F,
symbol linii E,
s}mbollinii D1,
D'
)': 396,8nm
i" = ą:o,8 n.n
)":486,1 nm
l':5sz,o nm
,'=589,onm
}' : 589,3nm
d|a
załamaniaświarłajako
wielkość
charakterystyczna
Wspólczvnnik
.subslincji
jejidentl.tikację.
a jego7a!cż'aość
od stężenił
umożliwia
6l,.ej
"}*';xll!il.;*,xffj:.ji,'fil:".Jg.
* aIitycznei..,^n,iu,,oh
to'net|ą'
Refralknnetria umożliwia także ident}fikację badanych substancji
ol,rz badanje struktury związkóvr'chemicznyih. Dzięki znajomości
gęstości
związków
załamania,
orazmascząsteczkowych
współczyn:lików
stalą
chcmicznychmożnaobliczy€ z ewzotlLorenza i Lorentzawielkość
d|:ndanegoz\rłiązk,J,zwaną rcIrakcją molo ,ą RŃ'
ł:Ź!?;!lH
11' symtottinliB,,'
i'-.",ńuot
tinilł, i=ićó,,ó;;
l
l
Rozróźnia się drspełsjęśłedniąn,-no
or, dlspetsję
lr}s,gdzie
łrośawł
_n,_I .M
^":ł+z7
R
dyspełsjęwzgĘdaą
:
+
d - gęstość ^?*
""*,
wyunaczono współczynnik załamania
'o'ii
, ,i
/'1.$
\..Iv)
masamolowa,
;';i;;ś;'"."'..'
tffi
l--:ff:"::;Ę,.,'::^,^;
l
X.liTl.1*}T3::^.\19rej
,oł.,.''ź.wd'oi.i Eftatcjimlowrh ektó!'chfsiu'tów
no i n..
chemicznych w temperaturze 20'C
Związek
chemiczny
.
l
i::)i
*--i".L"i'"-"i,i..,;..'-,'iili"..i:ffi#$1{"-*Łff.:i"*:*fłr
||*:'"..-|::::lI
;lI# |
*T;.rui"łlj;*m"*:.:lt#:*ffitY;1H1
-
\t!:;i#ffi
współczynnika
załamania
od.cjśnie.'i.
." *ńi-..'i'i.ńI"
ajl.l?'Jł
ków ga7owych,
gdzjewartośc
bezwzględnego.wspó.ń;ń;;;;
;;.##;
gafów N wyrażasię następująco:
N o - 1 .. p
r v _ ;. -=
ł
ai]zje|-
lr|
l
l + d.'
1ol3
{2.6)
b?wzcĘ,d nł:5pólay'nik ałamania światła
d]a gazu w 1eDrPeraturze
.]..' osDl€. n iem
' (ił :c)'
I. pod
' rw hP'|
}L -bb**'s]ędn'
w;póloynnik alamania dla gafu w o.c i pod ciśbjęDiem
/
wsPotcz}lnik
rofszenalloś
",n^,.,ą"-, ("=!)
21).|b
J'
jestwielkością
sumę
addytywną,
un.stanow.i
Refrakcja
molowe
poszczególnyL
funkcyjnyń
rel|akcjiP|,,ypisanych.
"tórnorn..g.upom
tDożna
zapisaćnaslępująco:
I t''dlajomwlązanw danelcząsteczce,
co
(211)
RM:tlR"
Ed,,ł.
ii .
]ioha atomów albo wiązań', danejc'ąstecz.e,
rcrl ' ł c'ja atomowa'
7, powyżczego
za|ożenla rnożna obliczyć
refrakcję
molową
z.łiązku
;'l]fi.:ji;ł:jl.$x".lŁ:i:iT*ffilJ"Ti1".ij'ff:Ti"T'"*,
i'*t;
i t.półczyl'riia załamania
śwjar|a p. wzór 2'Io)'
Ę14
I'
l5
W a r t o śrce f r a k c jni t o l o w e n
j i e z a t e Żoyd t e m p e r a t u r ) ' i : ' l . lsl lkut i 1 , i c r l i a
cząsteczek,a jej wyniarem jest ml. PrzyjęIo,Ze refrak(1itmoltltt.t Rn,
oznacza tak4 objętośc'
ktora w molu badanejsubstancjijl::,L
zajęLaprzez
materię korpuskularną. Potwierdzeniem tego jest fal'r ze rcl.rlrkc.je
molowe pary wodneji ciekłejwody są prawiejednakor.e -'W śr.ictle
żÓłtejlinii D Światła sodowego Rn,Idla pary wodnej \\ tempę|iIlt|rze
l00.C wynosi 3'716nrl, a dla ciekłejwody w temperaturz.,20',C tl,1'tlosi
3,715nrl. Wartośćrefrakcjimolowej zalezyjedynie od r.t,tlzajui liuzby
atomow wchodzących w skład cząsteczki oraz od rtttlzaju u,iązail
występującychmiędzy nimi. Ponadto wprowadzenieokrcślonejgr.upy
fun kcyj nej zw iększa refrakcję dan ego zw iązku,
J
R Y c .2 . 4
Aparatura w refraktometrii
GłÓwną częścią
refraktometrÓwsą dwa pryzmaty wyktlIlanezc szkła
flintowego o Znanym wspołczynnikuzałamaniaświatłall,, tak tlobranym' aby n, byłowiększeod wspÓłczynnikazałamaniaśu'tittła
bat|irrrej
substancji n, umieszczonej pomiędzy tymi pryzmatami.
Jasne -/
Rye.2.3. Bieg promieni w dwoch pryzmatach.
Bieg promieni świetlnychw dwÓch pryzmatach przerlstarviaryc' 2.3.
Przy obrocie pryzmatÓw zmienia się kąt e' pod ktÓrym prorlrrcóświetlrly
pada na płaszczyznę graniczną (pryzmat-ciecz badana) i 1,.ld ktÓl.1,rlr
przechodzi przez pryzmat gÓrny. Jeżeli zostanie przekr.'Uzony l,4t
granicznywewnętrznegoodbicia,wtedypromieriświetlny
nic rt,chodzi.Io
badanej cieczy' Przy obrocie pryzmatow pojawia się w ol'r'rlarzelirria
rozgraniczającapole jasne i ciemne'ktÓrą ustawia się na skrzyżowillIitt
tzw. nici pajęczych w okularze'
W polskich laboratoriach, najczęściej
stosowanym prz',Ifąden .lo
pomiarow wspÓłczynnika załamania światłajest refrakt1),,,etrtypl,
RL 2, ewentualnie RL 3 (odmiana łeli,aktometraAbbego\, produkc.|i
PZo (ryc' 2'4; f'5). Refraktometryte umożliwi4pomiar ws1lti'lczynnilia
refrakcji w świetleprzechodzącymlub w świetleodbitym' W rviększości
36
RYc' 2'5
2'l.RefraklT:.:'1:.:"si';1:J":f.|";i.i.ijffi1]:x"l.Ó-i1ffT
Ryc.
aiaLtlrl
"n
ł"ifi''ii j ;;; kir;iTj;ji:lil:":Ti,jTiJj:;T';
.",l?;T.1]
odhitrnl.
'" .T'5'
|i:i,i']'
f l *]'l"il..
PomIarufJ;* [{:r ,,,.i:,o..,"o"li
;*'.,Łr[;T:;)j:#;j;."''Ti"
p o k r ę t I od o u s l a ui a n t : i
o k u l a r .2
) w i d z i a n yt l J s t r o n yo k u l a r u :l
R y t ,2 . 5 . R c f r . r k t o n r eRr Lr
w
i
d
o
c
z
n
e jw t l k u l a r z . c .
s
k
a
l
i
ńoos*i.trania
g r a n l c y s w t a t l a'
"'"jo]3.--'lJ".,io
świetle przeclodzący^m.Jeie|i
przypadkow pomiaru dokonuje ,ię. *.
wtedy wartośÓwspol.
światło,
iednak analizowan" ;.;ii;i;;o.ntoniu
pryzmat aparatu (l)
Gorny
izynnika mierzy slę w świetleodbitym.
pryzmacie'(2)umteszjestruchomy, a po.lego podniesieniuna dolnym
refrakcji
wspciłczynnika
wartość
cza się analizowaną.."i"ć,.Ponieważ
połączenia
ma koricowki (3) do
za|ezyod temperatury,dlatego aparat
pryzmatow w stałejtenlz ultratermostatem'w celu ut,zymywunia
o.!x.,lii.;o
biateeo,^:|e!1
pryzmatowużywasię.światła
oświetlenia
jasnym l clemnyln
polem
w okularzezamiastostrej'granicymiędzy
(kątgraniczny
światla
dvsnersia
;d*;Jg;"na.
;;;
powstanie
barwna'*
umożliwia
ji"g"s"ir"li
-przeszkody''
inny).UsunĘcie.tej
"';i;,i;;ł
i
,;.d;;;"*
sie
(7).Kompensator'składa z dyc|1h
i;;;;;..";;
rozszęZęplLl
vision łirectę''.Pryzmat ',a vision directe'.
;;ffitÓ;-,,a
("a vision directe")
Ryc.2.6. Pryzmat prostego wiclzenia
31
I
li
I
I
I
I
I
I
I
t
I
t
I
I
.l
r
nie zmieniająckierunku biegu światłazołtejlinii sodu. Jest
on
iwl,attg
Zeslawlony
z tzech pryzmatow ze szkł,aCrown i Flinl o odpowiednio
dobranych kątach łamiących.
W zaleznościod wzajemnej orient acji pryzmatow
mozna zmieniać
wartośćdyspersji od zera do wartościmatsymaln,.:
Jym światło
tBi,i
sodoweo }' : 589,3nm nie ulegaodchyleniu).Pokręcając
śrubąkompenSatora.uzyskuje się ostry obraz
.granicy, ktÓrej riotoi""i" Jopowiada
wartościwspÓłczynn ika załamanii
swiaiia.
.Przęz obrÓt pokrętła.(2)ustawia się rozgraniczeniępÓl na środku
widocznego w okularze k'tzyza.
Ryc. 2.7, pole widzenia w okularze refraktometru
RL 2.
Pole widzeniaw oku'arz e'!rYc'Z.,)składa
sięz prostokątnegookienka
i znajdującejsię poniżejskali źa*i..u poa'qika;t ;j.n"ipoau;q...i
wartościwspolczynn'ka załamaniaświatła
i dolnej *y'i)";qJ.|l procentową Zawartość
cukru w roztworze.
Refraktometr RL 2 (lub RL 3) umożliwia pomiar
wspÓłczynnikÓw
zał.amania
światła
w zakresie |,3O-1,7O_zaokt.aonością
;;
1. 10_4,
w zakresietemperatur
0-75'c. rilvrza!
"il. .o*nr.z
^.ul.,u
;tk;-J;i"r
,ii'
do określania.procento wej zawartos"i
-do
w roztworach wodnych
w zakresie 0%-85% i
oznaczania dysp..r;i
Moze on
.1":v: takze.do wyznaczenia wspÓłc'y"''r.o*
"i.{ światła
zał,amanl.a
ciał
stałych plaskiej powierzchni.'W iakim
p,,ypuatu..uooon. .iuto
,o.
stałenalezy połozyc na,pryzmat dolny, natomiast
p ryzmat oa.nytu1ą.y
lontakl optyczny.między'stykaiqce się pot3*:r::^1b1-.zaPewnić
wlerzcnnle
wprowadza się'cienk4 warstwę cieczy.ftorei
*ipoł"'ynnil.
zał.amaniaświatła
jest mniejszy lub- rÓwny
- -....J
''vrv|v4Jlllrl\vwl
wspołczynnikowi
załamania
Ld
ciala
stałego
iykonywaniem pomiar ow na|eży
, |.'ęd
'Zapoznacsię z instrukcją
o bsługiaparatu. Należy dodać,ze pomiary i.r."[
ion'"i,;;;"*,,,,ugo,
u
bezwzględnegozachowania wysokiej czyśtosclpracy
orazścisłego
prze.
strzegania stałejtemperatury pomiaiu.
38
I
I
i
t
I
:
ri
Zastosowan ie ref raktometri i
Duzt1 ln|etqmetody refraktometrycznejjestszybkośćpomiaru i małe
l uŻycleblrdanej substancji.Refraktometria umożliwiaidentyfikacjęwielu
np. białkacałkowitegow surowicy
oraz oznaczeniailościowe,
srrb.stancii
llrrvi.cukttt, tłuszczuitd. Wykorzystuje się przy tym liniową za|eznośc
rlspÓłcz\'rlllika załamania światłaod stężeniaoznaczanych substancji.
H{etodę|e można stosowaćdo określaniaskładu dwuskładnikowych
rrlieszanitrsubstancji o wspÓłczynnikachzał'amaniadostatecznierÓzrli4cych się między sobą, a także do badania środkÓw |eczniczych,
oraz w wielu procesachtechnologicznych,Opisane wcześSl)ozywc7\.ch
triejlvyztlllczanierefrakcjimolowej pozwala na wyciągnięciewnioskow
c lr budowy cząsteczki zw iązku chemicznego.
t1tl1yczz1c-i'
;,
.
i,